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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 . }, k0 [* ~6 k6 V# \/ x
    " W% P5 f1 A% t
    前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。
    & I7 H; R  e+ E7 f1 u: V1 J1 E2 q/ M5 G+ ^+ _4 G! f& D
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。! \3 j/ q' T; @
    6 s' ?( \5 ^$ g# o: v; f
    个头、模样大致如此,二十六公斤。/ T* E" _2 b# C' K0 U

    ) F- C3 S9 J# F氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。% R  o  n; O5 I; \/ t; k
    " _0 x8 }5 N- H9 s5 m* w- T( M2 |
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。* l# s! z" F! _# k" q: R8 o

    5 P# ^% ^0 `" w& |) G定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?
    4 u! k6 o  `5 u( A" ^, M2 v/ I0 v. L! J2 V, g% J
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。& F- n; w% J. T0 X4 s6 |
    5 M4 U7 y7 k) N6 N* t( N
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!% K7 [# J2 j/ v9 L, P- I3 G# s+ a- ]

    7 l/ D, }$ C1 I% v不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    & z3 O6 W" j6 h$ |- O' m* O& z+ a! Y$ ]# R2 S
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。
      {( r% Y! }& K5 v& Y6 r. V) ?9 B
    2 z# Q- E/ V  I, f" p1 b: c3 a# Y说些个大家可能百度不到的。
    + L, s1 i# _1 K1 V2 y& ]# Q/ p2 r+ l$ h* O  [
    ===前方高能===; D" _% e) ^2 e6 R5 V% J+ V
    $ ^6 _/ [. i3 J
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。" g2 _, q9 j; o7 y

    2 K% ]( ]( T$ w那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。' N& r  J5 X) w$ F6 J+ `4 R" {
    7 b* `7 n$ r  L4 m+ R' z0 b- L
    * A8 g+ w# ?& j* U- L& {5 \
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。5 ]1 h* u7 |# g4 l( A

    7 W- i5 |( c" y, K0 \' @& @" z1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!" g( c$ v  ]  a5 x: y% q; |% z6 ]

      ]7 h0 u$ B5 B" g9 ?+ l* j8 b那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    / N' W; Y* b" c, ~9 H
      f% O; N* [0 T% q2 T2 H时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。
    % I8 i2 m- F& G) ?8 M( a5 w1 T! N/ d7 s8 [3 T
    1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。6 d! x/ T5 _7 ~3 a2 Q
    + ~0 e) B2 j7 d
    1986年,十的负十四次方。- A2 c9 J$ K3 `. X( ?" m( K3 B2 |
    / O) E" x# {7 _% l4 R% [
    2003年,十的负十五次方。4 g/ r4 S4 i. j3 z0 q- B6 i

    : z0 U& N7 m2 v" v  b8 D2017年,十的负十六次方。- s  l- D, I+ w
    * L* ]( z% j& R
    这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。' A, v% o( L. T8 K
    & y# {1 Z1 v$ f+ \8 l
    。。。
    + R; E7 q1 o6 K4 F9 {, J1 V7 i" F2 S
    4 i1 F) e' A6 p* ?& Q# g% Z: E7 A/ {. n8 {$ @- Y3 m
    今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。, d0 j/ ?/ O8 q! ^8 @" S
    1 n/ b6 W" E' f

    & }: B/ s- q2 \7 U6 X) M( R
    # @/ z8 g! g4 e3 z

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  • TA的每日心情
    开心
    11 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。
    # H9 f0 U2 H; S8 ^  C: u真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情

    前天 07:21
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    5 天前
  • 签到天数: 674 天

    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑 0 x" y1 g! X; u6 ?& o

    $ F. F% M+ D5 E群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    - h+ G* r. V2 }0 e1 y看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。* l1 V4 B! Z, [3 g  @
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    13 小时前
  • 签到天数: 3798 天

    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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  • TA的每日心情
    开心
    11 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    2 }5 s" I9 _: ?9 z3 Y安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    8 S# m* T" k( ^
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    # \: r8 `4 [# S7 H4 V他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 22:33
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:569 W( e# F$ h% k1 `' A$ q# [4 H
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    ' S; U' \- l3 Z0 |5 [) U  \他 ...
    9 F7 y- @( Q: H; q! a
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, r$ {8 L0 F5 r: u0 l
    5071A好像这两年不好买了
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    11 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:355 X2 p: C4 W: G6 i8 U/ w" }
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ ]5 f9 t0 A- a" A& ?
    5071A好像这两年不好买了
    ! w8 J3 o: V& A+ i; ~- W3 p) V
    这个短稳长稳有出处嘛?& u* U8 ~2 k4 A4 }5 y4 k- F! F
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~/ d: c5 ?3 K1 I4 l) W2 p
    所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    # B$ t. l9 s  A& [) b这个短稳长稳有出处嘛?' R5 ^* B2 e. Q8 k
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    + A5 k! N5 g. p# G6 F' d( j3 z$ @6 A' [8 z( z

    " p/ I0 S) _/ c6 [6 a没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    . W$ L" S% \) l" }" v' Q, v! a这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情

    13 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
    ) `9 |" p3 X2 n) e+ J0 Z原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    ' P7 y, P& r: E他 ...
    ' X1 z1 k& w4 i7 P7 A
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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    开心
    11 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
      a  g! H+ K& I7 ]) B  A没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    8 h$ f) a. U- ~2 j4 I$ _. G9 \这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    % n) Q+ w/ g) L
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    * m! [; b2 S5 h; x5 U% O2 p/ I- I冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。. J; G$ Y5 M3 {4 D4 ?( g

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    ; Y( ^% e, E8 U你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。9 M& @: Y5 }6 i& V/ M6 A: i1 ?/ R' o
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ P$ o# y% Q/ r, O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧- F" d! v- y! L( a" N( y
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    $ f. K9 [3 s6 r3 D) P时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    $ e5 z5 N- Z2 n9 R5 V安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    6 I% e/ s0 a- [2 V
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    " ^2 T# \9 w! j' c, T& P% R$ n可能高端的铯钟做的更好一些吧4 C! ?% U! R& }, k' T
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    " ~+ z6 w# }: Y; f4 q时间基准据说 ...

    + |! `( P, y+ s8 s请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    + E/ n* m) p) i6 j+ A' X4 R  A请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ' D* ~0 Y+ P7 y0 U$ x" B
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整
    8 G' o$ x( H$ ^* b
    * K8 D* b: N; q% y; [8 J1 Q! g" U不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    4 A7 _. ^; b" u: B7 m如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    ! k. K% G! q& X8 U! f8 X
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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